실차 실험을 통한 승용 디젤엔진의 Urea-SCR을 위한 암모니아 흡장률 피드백 제어 분사전략 검증 Experimental Verification of Adsorption Rate Feedback Control Strategy for Automotive Urea-SCR DeNOX System원문보기
본 논문에서는 연비손실 없이 높은 $NO_X$ 저감성능을 보이는 승용 디젤 엔진의 SCR 시스템을 위한 요소수의 분사전략을 제시하였다. 배출되는 $NO_X$량 대비 요소수가 화학량론적 1:1인 피드포워드 분사 전략과 함께 모델기반의 촉매 내 $NH_3$ 흡장률 추정 기법을 통하여 피드백 분사 제어전략을 함께 사용함으로써 과도상태에서 $NO_X$ 저감성능과 $NH_3$슬립 성능을 모두 만족시키고자 하였다. 제안된 분사전략을 적용하여 디젤산화촉매기와, 미립자필터가 장착된 2.2L 디젤 엔진을 갖춘 실제 차량에서의 실험을 통하여 제어기의 높은 $NO_X$ 저감률과 낮은 $NH_3$ 슬립 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 연비손실 없이 높은 $NO_X$ 저감성능을 보이는 승용 디젤 엔진의 SCR 시스템을 위한 요소수의 분사전략을 제시하였다. 배출되는 $NO_X$량 대비 요소수가 화학량론적 1:1인 피드포워드 분사 전략과 함께 모델기반의 촉매 내 $NH_3$ 흡장률 추정 기법을 통하여 피드백 분사 제어전략을 함께 사용함으로써 과도상태에서 $NO_X$ 저감성능과 $NH_3$ 슬립 성능을 모두 만족시키고자 하였다. 제안된 분사전략을 적용하여 디젤산화촉매기와, 미립자필터가 장착된 2.2L 디젤 엔진을 갖춘 실제 차량에서의 실험을 통하여 제어기의 높은 $NO_X$ 저감률과 낮은 $NH_3$ 슬립 성능을 검증하였다.
In this study, a SCR system is employed to selectively reduce $NO_X$, which is a major cause of environmental pollution and issues in diesel engines. In particular, this paper focuses on the combination of feedforward injection strategies, depending on the NO/$NO_X$ ratio, and ...
In this study, a SCR system is employed to selectively reduce $NO_X$, which is a major cause of environmental pollution and issues in diesel engines. In particular, this paper focuses on the combination of feedforward injection strategies, depending on the NO/$NO_X$ ratio, and feedback injection control, using $NH_3$ coverage ratio, based on a SCR model. A 2.2 L passenger diesel engine, which is equipped with a diesel oxidation catalyst (DOC) and a diesel particle filter (DPF), was used in the experiments. The developed control algorithm is implemented on a real-time computer with injection control algorithm. By analyzing the $NO_X$ emission measurement, the performance of the proposed injection control algorithm is verified.
In this study, a SCR system is employed to selectively reduce $NO_X$, which is a major cause of environmental pollution and issues in diesel engines. In particular, this paper focuses on the combination of feedforward injection strategies, depending on the NO/$NO_X$ ratio, and feedback injection control, using $NH_3$ coverage ratio, based on a SCR model. A 2.2 L passenger diesel engine, which is equipped with a diesel oxidation catalyst (DOC) and a diesel particle filter (DPF), was used in the experiments. The developed control algorithm is implemented on a real-time computer with injection control algorithm. By analyzing the $NO_X$ emission measurement, the performance of the proposed injection control algorithm is verified.
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문제 정의
그렇기 때문에 본 절에서는 높은 저감률을 만족시키기 위해 흡장률 θ 를일정하게 유지하도록 제어하여 급격한 NOX 증가에 대처할 수 있도록 하고자 한다.
본 연구에서는 승용 디젤 엔진의 효과적인 SCR시스템의 분사 제어 알고리즘을 개발하기 위하여 피드 포워드 제어기와 SCR 모델 흡장률을 기반으로 한 피드백 제어기를 제안하였다.
본 연구의 목표는 승용디젤엔진의 SCR 시스템을 효과적으로 제어하여 NOX와 NH3를 줄이는 것이다. 지금까지의 DOC, DPF가 장착되지 않았던 디젤 엔진에서는 SCR 촉매 활성화 온도 영역에서의 NOX의 함유 비율(NOX = NO + NO2)은 NO가 지배적이었다.
제안 방법
지금까지의 DOC, DPF가 장착되지 않았던 디젤 엔진에서는 SCR 촉매 활성화 온도 영역에서의 NOX의 함유 비율(NOX = NO + NO2)은 NO가 지배적이었다.(4) 따라서 본 연구에서는 DOC, DPF가 장착된 디젤 엔진에서 DOC, DPF 이후 생성된 NO2를 고려한 요소수 수용액의 질량유량을 계산하는 피드포워드 제어기를 설계하였다.(5)
최적화 된 목표 흡장률과 모델에서 추정된 NH3 흡장률의 오차를 줄이기 위한 분사량 제어는 PI제어를 하도록 설계하였다. 2.2L 싼타페 DM 수동 차량에 제어기를 적용하여 차대동력기에서 NEDC모드의 냉시동을 진행하였으며 배기분석기와 NH3 분석기를 통해 그 배출량을 확인하였다. 그 결과 총 NOx 배출량은 0.
NOX 중 NO의 비율은 테이블을 사용하여 제어 로직에 적용하였으며 매트랩 시뮬링크를 사용하여 위 알고리즘을 작성하고 실시간 제어 PC로 실험을 진행하였다. 실험 데이터는 100ms 단위로 400초씩 측정하였다
2L 승용 디젤 엔진을 사용하였으며 후처리 시스템은 DOC, DPF 그리고 SCR 촉매로 구성된다. SCR 촉매 전단에는 요소수 수용액의 고른 분포와 빠른 유동특성을 얻기 위해 믹서를 사용하였으며 SCR 촉매 전후단에 온도센서와 NOX 센서를 배치하였다
공급장치에 DeNOX에 필요한 이론적인 요소수 수용액을 분사시키기 위해 실시간 제어 PC에서 PWM duty ratio을 출력하였다. 이때 PWM duty ratio에 따른 요소수 수용액은 정밀저울을 이용한 질량 유량 측정 실험을 통해 측정하고 테이블을 사용하여 적용하였다.
그렇기 때문에 상태들에 대한 식(16)의 DeNOX SCR 모델에서 NH3 흡장률 θ추정을 기반으로 관측기를 설계하였다.
슬립현상 또한 대응하지 못하는 단점이 있다. 따라서 SCR 촉매 표면에 흡착된 NH3의 양을 추정하기 위해 시스템모델링을 진행하였으며 폐루프 관측기를 사용하여 모델의 신뢰도를 확보하였다. 이와 더불어 제안된 NH3 흡장률 추정 모델을 이용하여 각 온도와 흡장률 조건에 따른 NOX 저감성능과 NH3 슬립성능을 분석하여 최적의 흡장률 맵을 만들고 그 NH3 흡장률을 유지할 수 있는 피드백 제어기를 제안하였다.
따라서 급격한 운전 조건을 대비하며 동시에 NOX 저감과 NH3 슬립의 성능을 모두 만족하기 위하여 시스템 조건에서의 가장 최적의 흡장률을 유지하도록 하는 것이 중요하다. 따라서 각 조건에서 최적의 성능을 보이는 흡장률을 찾아내고 각 조건에 따른 흡장률 맵을 생성하여 흡장률 제어에 사용한다. 흡장률 성능의 분석을 위해 앞서 제안된 피드포워드 분사전략을 이용해 진행한 New European Driving Cycle(NEDC) 모드의 엔진데이터와 그에 따른 NOX 배출량, 온도 데이터를 기반으로 매트랩 시뮬링크로 시뮬레이션을 진행하였다.
따라서 본 절에서는 EURO-6나 그 이후의 규제에 대응하기 위한 제어기로서 앞서 제안한 SCR 시스템 모델과 NH3 흡장률을 이용하여 제어할 수 있는 피드백제어기를 설계 하였다.
또한 과도상태의 NOX 배출을 대비하고 효과적으로 저감시키기 위한 NH3 흡장률 추정 SCR 모델을 기반으로 한 피드백 제어기를 설계하였다. 최적화 된 목표 흡장률과 모델에서 추정된 NH3 흡장률의 오차를 줄이기 위한 분사량 제어는 PI제어를 하도록 설계하였다.
공급장치와 분사장치의 Pulse Width Modulation (PWM) duty ratio를 통한 실시간 제어는 실시간 운영체제로 구성된 PC를 통해 이루어지고 있다. 또한 매틀랩 시뮬링크 환경에서 분사제어 알고리즘을 개발 후 자동코드변환 기능을 사용하여 프로그램으로 변환하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 32.4% 요소수 수용액을 사용했기 때문에 최종적으로 분사되는 요소수 수용액의 양은 수용액의 농도와 DeNOX에 필요한 이론적인 NH3 양으로부터 필요한 요소수(Urea) 양을 식(22)를 통해 구한다. (8,14)
13의 슬립량은 온도가 높아짐에 따라 촉매 내 전체 저장 공간이 줄어들기 때문에 슬립이 증가하는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 위의 성능 분석을 통해 각 온도 조건에서 최적의 성능을 가질 수 있는 흡장률을 선정하여 흡장률맵을 만들어 제어 알고리즘에 적용하였으며 Fig. 14를 통해 그 맵을 확인할 수 있다.
흡장률 성능의 분석을 위해 앞서 제안된 피드포워드 분사전략을 이용해 진행한 New European Driving Cycle(NEDC) 모드의 엔진데이터와 그에 따른 NOX 배출량, 온도 데이터를 기반으로 매트랩 시뮬링크로 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 각 NEDC 실험을 주어진 조건의흡장률로 완료했을 때 NEDC 실험 동안의 성능들을 분석하였으며, 흡장률 조건은 0%에서 1% 간격으로 30%까지 설정하였다. 시뮬레이션 결과 Fig.
식 (19), (20)에 필요한 온도에 따른 NO와 NO2의 비율을 알아내기 위해 DOC 전단, DPF 후단에서 각 온도 별로 NO와 NO2의 비율을 측정하였다
실시간 엔진 데이터와 배출되는 NOX의 NO와 NO2 비율을 고려하여 요소수 수용액을 분사하는 피드포워드 제어기를 매트랩 시뮬링크를 이용하여 설계하였으며 실시간 제어 시스템을 구성하여 정적 상태에서의 엔진 실험을 통해 검증하였다. 정적 상태에서 NO/NOx의 비율을 고려하여 요소수 수용액을 분사한 결과 NO2의 비율이 상대적으로 높은 특정 구간에서 90% 이상의 저감 효율을 확인하였다.
엔진 벤치테스트는 Fig. 7 차트를 토대로 NO/NO2의 비율이 50% 이하인 온도조건, 즉 NO보다 NO2가 많은 온도가 형성되는 운전조건의 정적 상태 2개 조건을 선정하여 실험을 진행하였으며 Table 2를 통해 각 조건의 RPM(엔진 분당회전수) 과 BMEP(제동평균유효압력)를 확인할 수 있다.
SCR 시스템에서 발생하는 주요 화학반응들을 기반으로 한 모델링에 대해 기술하고 있다. 엔진 실험 데이터 결과를 기반으로 DeNOX SCR 시스템 모델링에 필요한 파라미터 값을 매트랩 시뮬링크 프로그램을 이용하여 교정하여 모델링을 수행하였다.
에 필요한 이론적인 요소수 수용액을 분사시키기 위해 실시간 제어 PC에서 PWM duty ratio을 출력하였다. 이때 PWM duty ratio에 따른 요소수 수용액은 정밀저울을 이용한 질량 유량 측정 실험을 통해 측정하고 테이블을 사용하여 적용하였다. Fig.
이와 더불어 제안된 NH3 흡장률 추정 모델을 이용하여 각 온도와 흡장률 조건에 따른 NOX 저감성능과 NH3 슬립성능을 분석하여 최적의 흡장률 맵을 만들고 그 NH3 흡장률을 유지할 수 있는 피드백 제어기를 제안하였다.
엔진에서 구성한 환경을 바탕으로 실제 차량에서의 실험환경을 구성하였다. 차량의 배기라인에 SCR 시스템을 가공하여 장착하고 차대 동력계에서 배기분석기와 NH3 분석기를 통해 NOX와 NH3의 배출량을 분석하였다. Fig.
흡장률 식을 기반으로 한다. 촉매 표면에 흡착된 NH3 흡장률의 변화량과 각 물질 NO, NO2, NH3 농도의 변화량을 추정하는 DeNOX SCR 모델 식을 유도하였다.
흡장률 추정 SCR 모델을 기반으로 한 피드백 제어기를 설계하였다. 최적화 된 목표 흡장률과 모델에서 추정된 NH3 흡장률의 오차를 줄이기 위한 분사량 제어는 PI제어를 하도록 설계하였다. 2.
피드백 제어기의 성능을 확인하기 위해 차대 동력계와 배기 분석기를 이용한 NEDC 냉시동(Cold Start) 조건의 차량 실험을 진행했다. NEDC는 4회의 도심주행 (EVE-15) 구간과 1회의 고속도로주행 (EUDC) 구간으로 이루어진 주행 사이클로써 약 11km를 1200초간 주행한다.
흡장률 성능의 분석을 위해 앞서 제안된 피드포워드 분사전략을 이용해 진행한 New European Driving Cycle(NEDC) 모드의 엔진데이터와 그에 따른 NOX 배출량, 온도 데이터를 기반으로 매트랩 시뮬링크로 시뮬레이션을 진행하였다.
대상 데이터
2와 같이 실험 엔진, DOC/DPF 장치, SCR 촉매, 배기가스 분석을 위한 센서로 구성되어 있다. HP, LP-EGR이 장착되어있는 2.2L 승용 디젤 엔진을 사용하였으며 후처리 시스템은 DOC, DPF 그리고 SCR 촉매로 구성된다. SCR 촉매 전단에는 요소수 수용액의 고른 분포와 빠른 유동특성을 얻기 위해 믹서를 사용하였으며 SCR 촉매 전후단에 온도센서와 NOX 센서를 배치하였다
본 연구에서 사용된 엔진 실험환경의 구성은 Fig. 2와 같이 실험 엔진, DOC/DPF 장치, SCR 촉매, 배기가스 분석을 위한 센서로 구성되어 있다. HP, LP-EGR이 장착되어있는 2.
중 NO의 비율은 테이블을 사용하여 제어 로직에 적용하였으며 매트랩 시뮬링크를 사용하여 위 알고리즘을 작성하고 실시간 제어 PC로 실험을 진행하였다. 실험 데이터는 100ms 단위로 400초씩 측정하였다
4에서는 엔진 실험을 위한 제어 장치 구성을 나타낸다. 엔진 Electronic Control Unit(ECU)에 데이터 입출력 인터페이스를 부착하여 제어에 필요한 데이터를 입력 받았다. 공급장치와 분사장치의 Pulse Width Modulation (PWM) duty ratio를 통한 실시간 제어는 실시간 운영체제로 구성된 PC를 통해 이루어지고 있다.
O로 환원하여 배출시킨다. 저온에서 NOX 저감 성능이 높은 Cu/ZSM-5 SCR 촉매를 사용하였으며 촉매의 온도 별 저감 성능은 Fig. 3에서 확인 가능하다.
이론/모형
또한 #Gaussian 분포를 가진 것으로 가정한 노이즈를 의미한다. NH3의 계수는 NOX 센서의 교차 감도 상수(Cross Sensitivity Factor, CSF)로 결정되며 이전 연구에서 구해진 값을 참고하였다. (25)
위의 각 반응의 반응속도 상수 k୧는 아레니우스식을 기반으로 유도되었다
성능/효과
3%를 보였다. DOC 전단의 평균 온도는 338℃를 보였으며 SCR 촉매 전단의 평균 온도는 277℃로 NO의 비율은 평균 42%였다.
10, 11의 각 점 하나가 한번의 NEDC 모드를 의미하며 모드 동안에 배출되는 NOX와 NH3의 최대, 최소 그리고 평균값을 확인할 수 있다. Fig. 10의 NOX 저감 성능은 최소값과 평균값 모두 전체적으로 흡장률이 높을수록 좋아지며 특히 5%를 전후로 비교적 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있으며 Fig. 11의 NH3 슬립 성능은 흡장률이커질수록 선형적으로 슬립량이 많아짐을 알 수 있다. 또한 Fig.
DOC 전단의 평균 온도는 287℃를 보였고 이때 NO의 비율은 평균 34%였다. NO/NOX의 비율에 의해 NH3와 NOX 몰 비가 상이해지는Slow 반응을 고려하여 요소수 수용액을 분사한 결과 평균 5.93 mg/s를 분사하였다. SCR 촉매 전단에서의 온도가 평균 212℃를 보였으며 NOX의 저감 효율은 평균 78.
93 mg/s를 분사하였다. SCR 촉매 전단에서의 온도가 평균 212℃를 보였으며 NOX의 저감 효율은 평균 78.4%를 보였다.
2L 싼타페 DM 수동 차량에 제어기를 적용하여 차대동력기에서 NEDC모드의 냉시동을 진행하였으며 배기분석기와 NH3 분석기를 통해 그 배출량을 확인하였다. 그 결과 총 NOx 배출량은 0.051g/km, NH3의 슬립량은 실험동안 최대 슬립량이 7ppm이 넘지 않으며 높은 NOx의 저감 성능과 적은 NH3의 슬립 성능을 모두 만족시켰다.
배기 분석기를 통해 분석한 결과 배출된 NOX량은 ECE-15 구간에서 0.084g/km, EUDC 구간에서 0.032g/km로 전체 NEDC 구간에서 총 01051g/km를 보였다.
9는 2000rpm, bmep 3bar의 조건에서의 실험 결과이다. 요소수 수용액의 분사량이 평균 17.40mg/s였으며 이에 따른 NOX의 저감 효율은 평균 98.3%를 보였다. DOC 전단의 평균 온도는 338℃를 보였으며 SCR 촉매 전단의 평균 온도는 277℃로 NO의 비율은 평균 42%였다.
20에서 확인할 수 있다. 원하는 목표 흡장률로 제어하기 위해 배출되는 NOx량 만큼 결정되는 피드포워드 제어기의 분사량과 비교하여 더 많은 양의 요소수를 분사하고 원하는 흡장률에 가까울 때는 그 흡장률을 유지하기 위한 분사를 하는 것을 확인할 수 있다. 배기 분석기와 NH3분석기를 이용하여 실시산 측정한 실험의 배출량은 Table 3과 같다.
이를 통해 최적화 된 목표 흡장률을 기반으로 한 피드백 제어기의 저감 성능이 EURO-6의 규재 0.08 g/km를 만족하였으며, NH3 분석기를 통해 확인한 NH3 슬립량 역시 최대 슬립량이 7ppm으로 10ppm을 넘지 않는 것을 확인하였다.
정적 상태에서 NO/NOx의 비율을 고려하여 요소수 수용액을 분사한 결과 NO2의 비율이 상대적으로 높은 특정 구간에서 90% 이상의 저감 효율을 확인하였다.
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